專利名稱：井下電感耦合器組件的制作方法
技術領域：
本公開一般涉及石油和天然氣開采，并且更具體地涉及井下電感耦合器組件。
背景技術：
完井系統(tǒng)安裝在井中，以從鄰近井的儲層中生產烴類流體(通常被稱為石油和天然氣)或將流體注入井中。在許多情況下，完井系統(tǒng)包括電氣設備，所述電氣設備必須被通電并與地表或井下控制器通信。傳統(tǒng)上，電纜進入井下位置，以啟動這些電氣通信和電力轉移輸送。附圖簡述

圖1圖解說明具有實例電感耦合器的實例井下二級完井系統(tǒng)。圖2圖解說明另一實例二級完井系統(tǒng)。圖3圖解說明實例單線圈電感耦合器組件。

圖4圖解說明圖3中的耦合器組件的實例電氣架構。圖5圖解說明實例雙線圈電感耦合器組件。圖6圖解說明圖5中的耦合器組件的實例電氣架構。圖7圖解說明實例多分支電感耦合器組件。圖8圖解說明圖7的耦合器組件的實例電氣架構。圖9圖解說明圖5中包括實例AC/DC轉換器的耦合器組件的另一實例電氣架構。圖10圖解說明圖5中包括實例DC/AC轉換器和實例AC/DC轉換器的耦合器組件的另一實例電氣架構。圖11圖解說明圖5中包括實例調制變壓器的耦合器組件的另一實例電氣架構。圖12圖解說明圖5中包括實例遙測調節(jié)器的耦合器組件的另一實例電氣架構。圖13圖解說明替代的實例電氣架構。圖14圖解說明其它替代的實例電氣架構。圖15圖解說明圖5中包括實例多路復用器和多路分用器的耦合器組件的另一實例電氣架構。
具體實施例方式某些實例示于上文識別的圖中并在下文詳細加以描述。在描述這些實例時，類似或相同的參考數字用于識別相同或類似的元件。為了清晰和/或簡潔的起見，圖不一定按照比例繪制且圖的某些特征和某些視圖可示出為按比例或示意性放大。此外，已經在本說明書各處描述了幾個實例。任何實例的任何特征都可與其它實例的其它特征包括在一起，或將其取代，或以其它方式與其組合。
根據本文所描述的一些實例，提供一種用于安裝在井中的完井系統(tǒng)，其中完井系統(tǒng)允許實時監(jiān)測井下參數，諸如溫度、壓力、流速、流體密度、儲層電阻率、石油/天然氣/水的比例、粘度、碳/氧比例、聲音參數、化學感測(諸如用于垢、蠟、浙青質、沉積物、PH感測、鹽度感測)等等。井可為海上井或陸地井。完井系統(tǒng)包括可被放置在井的多個位置處的傳感器組件(諸如以傳感器陣列的形式)?！皩崟r監(jiān)測”是指在井中進行某些操作期間(諸如在開采或注入流體期間或介入操作期間)觀察井下參數的能力。傳感器組件的傳感器被放置在對應于各個關注點的離散位置處。另外，傳感器組件可被放置在砂控制組件的外部或內部，所述砂控制組件可包括砂篩、開槽或穿孔的內襯或開槽或穿孔的管。在一些實例中，使用具有至少兩級的(上完井段和下完井段)的完井系統(tǒng)。在這些實例中，下完井段在第一行程中進入井中，其中下完井段包括傳感器組件。上完井段然后在第二行程中進入，其中上完井段電感耦合至第一完井段，以啟動傳感器組件和位于傳感器組件的仰孔的另一元件之間的信令或通信和電力的輸送。上完井段和下完井段之間的電感耦合可在傳感器組件和井口元件(諸如位于井筒中的其它地方或地表的組件)之間建立電力和信令。短語“二級完井”也應被理解為包括其中額外的完井元件在第一完井之后進入的那些完井，諸如通常用于一些套管井壓裂充填應用。在這些井中，電感耦合可用于最下面的完井元件和上面的完井元件之間，或者可用于完井元件之間的其它接口處。多個電感耦合器也可用于在完井元件之間有多個接口的情況。AC感應涉及不依賴于導電閉路而是代以包括磁元件或電路的時變電磁信號或電力的轉移。例如，如果時變電流通過第一線圈，那么電流變化的結果是在第一線圈周圍的介質中產生電磁場。如果第二線圈被放置在該電磁場中，那么電流會在第二線圈中被感應。該電感耦合的效率隨著線圈被放置得越近而增加，但是，這不是必要的約束。例如，如果時變電流通過繞金屬心軸卷繞的線圈，那么電流將會在偏離第一線圈的一定距離處在繞該相同心軸卷繞的線圈中被感應。以此方式，單個傳輸機可用于沿井筒對多個傳感器供電或與其通信。只要有足夠的電力，傳輸距離即可非常大。例如，地表的螺管線圈可用于與井筒深處的地下線圈感應地通信。另外，線圈無需被卷繞為螺線管。當線圈被卷繞為繞金屬心軸的環(huán)形線圈，且電流在遠離第一環(huán)形線圈一定距離處的第二環(huán)形線圈中被感應時，電感耦合的另一實例會發(fā)生。在替代的實例中，傳感器組件可以具有上完井段，而不具有下完井段。在其它實例中，可使用單級完井系統(tǒng)。雖然上完井段能夠通過電感耦合器對下完井段提供電力，但是下完井段也可從其它來源(例如電池或從振動(如完井系統(tǒng)中的振動)中收獲電力的供電器)獲得電力。從振動中收獲電力的供電器可包括發(fā)電機，該發(fā)電機可將振動轉換為電力，該電力隨后被存儲在電荷存儲設備(諸如電池)中。當下完井段從其它來源獲得電力時，電感耦合仍然可用于促進完井元件之間的通信。在本文描述的一些實例中，完井架構能夠經由雙線電纜以差模在兩個方向(即，從表面到井下位置和從井下電氣設備中的一個或多個到表面)進行遙測或通信。換句話說，電纜的兩條電線之間的差分電壓和/或電流可傳輸遙測幀。此外，通過這些實例，完井架構能夠使電力被輸送為電纜的兩條相同電線上的共模信號。在一些實例中，在地表，調制變壓器能夠多路復用電力信號和遙測或通信信號。在該實例中，通信信號是電纜的兩條電線之間的差分電壓信號，且電力信號是經由至調制變壓器的次級線圈的中心抽頭或中間點的直接連接點傳輸至電纜的兩條電線上的交流(AC)信號。因此，電纜的每條電線和塊體(如，電纜鎧裝、完井等)之間的電壓載送AC電壓+/_ —半通信信號。本文所描述的實例中的電源的AC電壓的范圍可為從約150伏特至約600伏特，或其更廣泛的范圍可為從約100伏特至約1000伏特。選擇電力和通信載波頻率來優(yōu)化任何特定應用的最大發(fā)送距離、波特率、遙測穩(wěn)健性和功率效率。另外，可經由具有高效率的相對較多匝數的耦合器線圈以低頻率發(fā)送電力信號，且可經由具有相對較少匝數的耦合器線圈以高效率傳輸通信信號。在本文所描述的一些實例中，因為遙測線圈用作調制變壓器，所以可通過沒有任何固態(tài)電子設備或額外的調制變壓器的電感耦合器傳輸電力和遙測或通信。在一個實例中，鎧裝電纜電線的兩端直接耦合至遙測耦合器的初級線圈，而額外的電線將初級線圈的中心抽頭耦合至電力耦合器的初級線圈的一端，線圈的另一端連接至塊體。差分電壓(其為通信或遙測信號)被磁輸送至遙測次級線圈，而AC電力信號被磁輸送至電力耦合器的次級線圈。此外，功率次級線圈耦合至遙測次級線圈的中心抽頭并耦合至塊體。因此，遙測次級線圈的兩個輸出(其直接連接至較低鎧裝電纜的兩條電線)如上完井的情況般載送差模下的遙測信號和共模下的電力信號。根據本文所描述的實例，在不需要在地表單元和井下電氣設備(如，傳感器、致動器等)之間使用電子設備的情況下，可以實現電感耦合電力和遙測。此外，遙測或通信和電力可以是雙向的。換句話說，通信可被從地表單元發(fā)送至井下位置和/或通信可被從井下位置發(fā)送至地表單元。同樣地，電力可以被輸送至井下和/或可以被從井下位置發(fā)送至井□。更進一步，本文所描述的實例可用于實現電氣架構與多級和/或多分支完井一起使用。在這樣的實例中，初級耦合器串聯安裝在電纜上，且一個或多個次級耦合器串聯和/或并聯安裝在下面兩條電線上。電氣設備，諸如，例如傳感器、致動器或任何其它合適的電氣設備可串聯和/或并聯連接在任何兩條電線上。另外，在這些實例中，可有多條電線。例如，接地或塊體回路也可以是電線或許多條平行的電線，且載送電力和遙測井下的兩條電線也可以是多根平行的電線。本文描述的用于井下環(huán)境的實例電感耦合器組件包括具有第一和第二磁耦合線圈的第一電感耦合器，和具有第三和第四磁耦合線圈的第二電感耦合器。第一和第三線圈耦合至第一對信號線，且第二和第四線圈耦合至第二對信號線。第一電感耦合器在第一和第二對信號線之間磁輸送差分遙測或通信信號，且第二電感耦合器在第一和第二對信號線之間磁輸送共模電力信號。用于井下環(huán)境的另一實例電感耦合器組件包括通信或遙測耦合器，其用于在第一對和第二對信號線之間輸送差分通信或遙測信號；以及電力耦合器，其用于在第一和第二對信號線之間輸送共模電力信號。用于井下環(huán)境的又一實例電感耦合器組件包括第一線圈，其具有至第一線圈的第一端的第一連接點、至第一線圈的第二端的第二連接點和至第一線圈的中心抽頭的第三連接點。實例電感耦合器組件還包括磁耦合至第一線圈的第二線圈，所述第二線圈具有至第二線圈的第一端的第四連接點、至第二線圈的第二端的第五連接點和至第二線圈的中心抽頭的第六連接點。在該實例中，還有第三線圈，其具有至第三線圈的第一端的第七連接點和至第三線圈的第二端的第八連接點。實例電感耦合器組件還包括磁耦合至第三線圈的第四線圈，所述第四線圈具有至第四線圈的第一端的第九連接點和至第四線圈的第二端的第十連接點。在該實例中，第八和第十連接耦合至電接地或回路，第七連接點電連接至第三連接點，且第九連接點電連接至第六連接點，以使第一和第二線圈磁輸送通信，且第三和第四線圈磁輸送電力。在井下環(huán)境中輸送電力和通信的實例方法包括:經由第一對電線傳輸電力信號和通信信號，電力信號是第一對電線上的共模信號，且通信信號是第一對電線上的差分信號。該實例方法還包括經由第一電感耦合器將通信信號從第一對電線磁輸送至第二對電線。此夕卜，實例方法包括經由第二電感耦合器將電力信號從第一對電線磁輸送至第二對電線?，F在轉向圖，圖1不出了兩級完井系統(tǒng)，其中上完井段102與上完井段100接合。在該實例中，兩級完井系統(tǒng)是被設計為安裝在具有無內襯或無套管的區(qū)域104 (8卩“開放孔區(qū)域”)的井中的砂面完井系統(tǒng)。如圖1所示，開放孔區(qū)域104位于具有內襯或套管106的內襯或套管區(qū)域之下。在開放孔區(qū)域104中，下完井段102的一部分被提供為接近砂面108。為了防止顆粒材料(諸如砂)通過，砂篩110被提供在下完井段102中?；蛘?，可使用其它類型的砂控制組件，包括開槽或穿孔管或開槽或穿孔內襯。砂控制組件被設計為過濾顆粒(諸如砂)，以防止這樣的顆粒從周圍儲層流入井中。根據一些實例，下完井段102具有傳感器組件112，該傳感器組件112具有定位在橫跨砂面108的不同離散位置處的多個傳感器114。在一些實例中，傳感器組件112是傳感器電纜的形式。傳感器電纜112可以是連續(xù)控制線，該連續(xù)控制線具有傳感器114提供在其中的部分。傳感器電纜112在該傳感器電纜112沿其長度針對流體(諸如井筒流體)提供連續(xù)的密封意義上是連續(xù)的。在一些實例中，連續(xù)傳感器電纜112可具有密封附接在一起的離散的殼體段。在其它實例中，傳感器電纜112可通過集成的連續(xù)殼體實現，而不會受到損壞。在下完井段102中，傳感器電纜112也連接至可與傳感器114通信的控制器盒116?？刂破骱?16可從諸如地表上的其它位置或從井中的其它位置(例如，從上完井段100中的控制站146)中接收命令。這些命令可指示控制器盒116使傳感器114提取測量值或發(fā)送測量數據。另外，控制器盒116可存儲和傳達來自傳感器114的測量數據。因此，以定期的時間間隔，或響應于命令，控制器盒116可將測量數據傳達至位于井筒中的其它地方或地表的另一元件(例如，控制基站146)。通常，控制器盒116包括處理器和存儲裝置。傳感器114和控制盒116之間的通信可以是雙向的或者可以使用主-從式設置。控制器盒116電連接至為下完井段102的一部分的第一電感耦合器部分118 (例如，凹電感耦合器部分)。如下面進一步討論，第一電感耦合器部分118允許下完井段102與上完井段100通信，以便可以向控制器盒116發(fā)出命令，且控制器盒116可將測量數據傳達至上完井段100。在其中在下完井段102中局部廣生或存儲電力的實例中，控制器盒116可包括電池或電源。接近上完井段100的下部分的是第二電感耦合器部分144(例如，凸電感耦合器部分)。當位于彼此鄰近時，第二電感耦合器部分144和第一電感耦合器部分118形成電感耦合器，該電感耦合器允許上完井段100和下完井段102之間的數據和電力的電感耦合通信。
導電體147 (或導體)從第二電感耦合器部分144延伸至控制站146，其包括處理器和電力和遙測模塊(用于供電和通過電感耦合器與下完井段102中的控制器盒116通信信令)。此外且任選地，控制站146可包括傳感器，諸如溫度和/或壓力傳感器?？刂普?46連接至向上延伸至收縮接合部150 (或長度補償接合部)的電纜148(例如，雙絞線電纜)。在收縮接合部150上，電纜148可以螺旋方式纏繞(以提供螺旋纏繞的電纜)，直到電纜148到達上完井段100中的上封隔器152。上封隔器152是帶孔封隔器，以允許電纜148延伸通過封隔器152至帶孔封隔器152的上面。電纜148可從上封隔器152一直延伸至地表(或井中的另一個位置)。在另一實例中，控制站146可省略，并且電纜148可從(上完井段分100)的第二電感耦合器部分144進入井中的其它地方或地表的控制站。收縮接合部150是可選的，并且也可以在其它實例中省略。上完井段100還包括管道154，該管道可一直延伸至地表。上完井段100在管道154上被載入井中。當上端下完井段100和102接合時，可通過包括電感耦合器部分118和144的電感耦合器進行控制器盒116和控制站146之間的通信?？刂普?46可將命令發(fā)送至下完井段102中的控制器盒116，或控制站146可從控制器盒116中接收由傳感器114收集的測量數據。圖2示出了使用兩個電感耦合器184和186的另一實例，其中第一電感耦合器184用于與第一傳感器電纜188進行電力和數據通信，且第二電感耦合器186用于提供與第二傳感器電纜190的電力和數據通信。在圖2的實例中使用兩個電感耦合器和兩個相應的傳感器電纜可在傳感器電纜中的一個或電感耦合器中的一個出現故障的情況下提供冗余。傳感器電纜188和190通常彼此平行。然而，傳感器電纜188的傳感器192相對于傳感器電纜190的傳感器194沿井筒的縱向方向偏移。換句話說，在縱向方向上，每個傳感器192被定位在兩個連續(xù)的傳感器194之間(見圖2中的虛線196)。類似地，每個傳感器194被定位在兩個連續(xù)的傳感器192 (見圖2中的虛線198)之間。通過提供傳感器192和194的縱向偏移，傳感器192和194可在井筒中的不同深度處收集測量值。以此方式，如果兩個傳感器電纜188和190都可運行，那么傳感器的有效密度會在所關注的區(qū)域增加。在另一實例中，傳感器電纜188和190可以串聯進入，而不是平行進入，如圖2中所描述。在另一設置中，代替作為傳感器電纜的兩個線纜188和190，所述電纜中的一個電纜可為用于提供控制(諸如控制流量控制裝置)的電纜，(或可選地，電纜中的一個電纜可以是傳感器和控制電纜的組合)。在上面討論的實例中，傳感器電纜提供以傳感器的集合或陣列的形式互連多個傳感器的電線。在替代的實例中，傳感器之間的電線也可以省略。在這種情況下，可針對相應傳感器提供多個電感耦合器部分，其中上完井段提供相應電感耦合器部分，以與和相應傳感器相關聯的電感耦合器部分相互作用，以將電力和數據傳達至傳感器。雖然已經參考在通信井中的傳感器和另一元件之間傳達數據，但是在替代的實例(其中傳感器在井下設置有其本身的電源)中，傳感器可具有足夠的電力，以使傳感器可在相對長的時間(例如，幾個月)內進行測量和存儲數據。在這些實例中，可以降低介入工具，以與傳感器通信來檢索所收集的測量數據。在一個實例中，使用電感耦合完成介入工具之間的通信，其中一個電感耦合器部分永久安裝在完井中，且配套的電感耦合器部分位于介入工具上。介入工具也可用于補充(例如，充電)井下電源。圖3示出了實例完井400，其設置在在該實例中包括套管部分404和無套管部分406的鉆孔402中。實例完井400包括具有電感稱合上完井410和下完井412的單對線圈的電感耦合器408。雖然雙級完井示于圖3中，但是由于額外耦合器可相對于主總線被串聯或并聯配置，所以實例電感耦合器408和相關電氣架構(圖4)也可以適用于多級和/或多分支完井。實例電感耦合器408包括具有第一線圈416的凸部414和具有第二線圈420的凹部418。第一線圈416和第二線圈420通信耦合，以形成單線圈對422。在該實例中，在電纜428中將電力和通信從地表單元424傳輸通過井口 426并向下至上完井404。該實例中的電纜428為鎧裝電纜，其包括一條或多條電線。經由單線圈對422將電力和通信磁輸送或者傳送至下完井412中的電纜430。在上完井404的側面，電纜428包括永久井下電纜(“H)C”)電線，其為將用于井下工具的電力和遙測耦合至地表的封裝電線，即，在該實例中，直接耦合至上線圈416。因此，無需額外的電子設備。在其它實例中，電纜428的電線可耦合至嵌入電感耦合器408內的電子設備。在該實例中，無需盒(諸如，例如，上面描述的盒116)。在又一實例中，電纜428中的電線可耦合至電子盒，該電子盒通過鎧裝電纜耦合至上線圈416。在下完井406的側面，電纜430包括直接耦合至下線圈420的TOC電線，而無額外電子設備。在其它實例中，電纜420的電線耦合至嵌入耦合器408內的電子設備，而無需盒。另外，在另一實例中，電纜的電線耦合至電子盒，該電子盒經由鎧裝電纜耦合至下線圈420。圖3的實例電感耦合器408的實例電氣架構示于圖4中。在所示的實例中，I3DC電線/電纜428的一端耦合至上線圈416。其它TOC電線/電纜430的一端耦合至下線圈420。上線圈416的另一端和下線圈420的另一端耦合至地、回路路徑或共用的塊體(例如，信號回路、地面等)432。另外，在該實例中，地表單元424包括多路復用器434，該多路復用器多路復用相同電線428上的AC電力436和通信438。發(fā)送電力和通信信號，作為參考鎧裝、地面或電回路的信號?？烧{整頻率和/或幅度，以適應特定應用的需要。耦合器408形成變壓器，該變壓器使上線圈416上的AC信號(電力和通信)在下線圈420上恢復。用于實現耦合器408中的線圈416、420的電感材料或電線的匝數確定耦合器408可以適應有效地傳輸低頻率電力信號和更高頻率通信或遙測信號的帶寬。在其它實例中，可從地表輸送直流(DC)電力，且在上線圈416之前實現DC/AC轉換器，以感應地發(fā)送電力。在該實例中，在下線圈420之后,可將電力實現為為AC信號，或者可實現AC/DC轉換器，以重建DC電力信號。圖5圖解說明帶有具有另一個實例電感耦合器組件600的上完井410和下完井412的完井400。圖6示出了圖5的系統(tǒng)的實例電氣架構。實例電感耦合器組件600包括具有第一線圈604和第二線圈606的第一電感稱合器602。第一線圈604和第二線圈606磁耦合。實例電感耦合器組件600還包括具有第三線圈610和第四線圈612的第二電感耦合器608。第三線圈610和第四線圈612磁耦合。如圖6所示，第一線圈604和第三線圈610耦合至第一對信號線702，且第二線圈606和第四線圈612耦合至第二對信號線704。第一電感稱合器602在第一對信號線702和第二對信號線704之間磁輸送差分通信信號,且第二電感稱合器608在第一對信號線702和第二對信號線704之間磁輸送共模電力信號。如在圖6中詳細不出，實例電感稱合器組件的第一線圈604具有至第一線圈604的第一端708的第一連接點706、至第一線圈604的第二端712的第二連接點710和至第一線圈604的中心抽頭716的第三連接點714。第二線圈606磁耦合至第一線圈604并具有至第二線圈606的第一端720的第四連接點718、至第二線圈606的第二端724的第五連接點722和至第二線圈606的中心抽頭728的第六連接點726。第三線圈610具有至第三線圈610的第一端732的第七連接點730和至第三線圈的第二端736的第八連接點734。此夕卜，第四線圈612磁耦合至第三線圈610。另外，第四線圈612具有至第四線圈612的第一端740的第九連接點738和至第四線圈612的第二端744的第十連接點742，其中第八連接點734和第十連接點742耦合至電接地或回路746 (例如，共用的塊體)。第七連接點730電連接至第三連接點714，且第九連接點738電連接至第六連接點726，使得第一線圈604和第二線圈606磁輸送通信，且第三線圈610和第四線圈612磁輸送電力。因此，圖5和圖6示出了用于井下環(huán)境的電感耦合器組件600，其包括第一電感耦合器602，其用作輸送第一對信號線702和第二對信號線704之間的差分遙測信號的遙測耦合器。實例電感稱合器組件600還包括第二電感稱合器608,其用作輸送第一對信號線702和第二對信號線704之間的共模電力信號的電力耦合器。第一線圈604上的第一連接點706、第一線圈610上的第二連接點710、第二線圈606上的第四連接點718和/或第二線圈606上的第五連接點722中的一個或多個耦合至一個或多個傳感器或致動器。例如，傳感器、致動器或其它井下工具可并聯耦合在兩條電線(見例如，圖8)上。此外，這些工具可經由插入的調制變壓器耦合至電線(例如，電線704)。此外，電線702、704可以本文所描述的任何方式(諸如，例如在沒有其它電子設備或盒的情況下直接至線圈、在沒有盒的情況下經由嵌入電感耦合器組件600中的電子設備、或經由可選的上盒750和/或可選的下盒752 (見以上盒116的討論))耦合至線圈604、606、610、612。

此外,如圖6所示,地表單元424包括遙測或通信信號源780、電源782 (其被示為AC電源)。然而，在其它實例中，電源782可為DC電源。地表單元424還包括調制變壓器784。通信信號源780在第一線圈790的第一端792和第二端794上耦合至調制變壓器784的第一線圈790。電源782在中心抽頭798上耦合至調制變壓器784的第二線圈796。調制變壓器784允許多路復用或混合電力和遙測信號。如上所述,在電感耦合器組件600中，第一對信號線702與上完井組件410相關聯，且第二對信號線704與耦合至上完井組件410的下完井組件412相關聯。在其它實例中，一對信號線704可與下完井組件相關聯，且另一對信號線802與分支完井組件相關聯，如圖7和圖8所示。具體地，可將另一電感耦合器組件804添加在例如第一電感耦合器組件600的下面并以本文所描述的任何方式耦合。因此，第三或多余的下完井也可以包括在內，這實現了具有三級連接的多級連接。在這樣的三級實例中，存在第五線圈806,該第五線圈具有至第五線圈806的第一端810的第i^一連接點808和至第五線圈806的第二端814的第十二連接點812。還存在第六線圈816，該第六線圈磁耦合至第五線圈806。第六線圈816具有至第六線圈816的第一端820的第十三連接點818和至第六線圈816的第二端824的第十四連接點822。第四連接點718和第十三連接點818耦合，且第五連接點722和第十四連接點822耦合。第五線圈806和第六線圈816磁輸送通信。還具有第七線圈830和第八線圈832，該第七線圈和該第八線圈同樣如本文所述耦合來磁輸送電力。在另一實例中，如圖7和圖8所示，可能存在用于形成多級和/或多分支配置的第四電感耦合器對840。此外，也可能具有η級完井，其可使用根據本文所述的一個或多個電氣架構連接的η-1個耦合器與所有級連接。對于這樣的多級/多分支完井，如圖8所示的電氣架構可串聯和/或并聯組合完井。在例如包括一根或多根電線的鎧裝電纜中，通信和電力來自地表單元424，通過井口 426并向下至上完井410。類似于雙級完井，在多分支/多級完井的情況下，第一耦合器600是連接上完井410和下完井412的初級耦合器。在下完井412上，任何數量的耦合器804、840等(即，次級耦合器)可耦合至下完井鎧裝電纜，每個次級耦合器804、840等還包括兩對線圈。一個或多個電氣設備842a-d (包括例如傳感器、致動器和/或任何其它電氣元件)可耦合至每個隨后和/或橫向的延伸部。圖9圖解說明另一實例電氣架構，其包括低功率線圈輸出(B卩，第四線圈612)上的交流至直流(AC/DC)轉換器或整流器1002。AC/DC轉換器1002將共模電力信號從激勵第三線圈610的AC信號轉換為經由第四線圈612而輸送為共模DC信號的DC信號。因此，AC/DC轉換器1002將AC信號轉換為第二對信號線704上的DC信號。在一個實例中，AC/DC轉換器1002可以是耦合至功率次級線圈612的一端的二極管，其中線圈612的另一端接地至鎧裝電纜、管道、套管等。在另一實例中，AC/DC轉換器1002可包括電容器。在又一實例中，AC/DC轉換器1002可以是任何合適拓撲結構的AC電源，且可包括功率因數校正電路。圖10圖解說明又一實例電氣架構，在該架構中，直流至交流(DC/AC)轉換器或整流器1102耦合至第三功率線圈610，以將經由第一對信號線702從地表供應至第三線圈610的DC共模電力信號轉換為AC信號。DC/AC轉換器1102有效地通過耦合器608感應電力。下側(即，第四線圈612)上的AC/DC轉換器1002通過啟動以差模輸送的遙測或通信和經由共模的DC載波上的電力來重構總線。圖9和圖10的實例也適合通過添加如上所述串聯或并聯的耦合器而用于多級系統(tǒng)。如果耦合器被串聯放置，那么在隨后的耦合器之前，使用額外的DC/AC轉換器來重新生成AC電力信號，該電力信號然后可以被磁或電感地發(fā)送。包括調制變壓器的實例電氣架構示于圖11中。在該實例中，第一調制變壓器1202被放置在第一線圈604和第二線圈606之前的電感耦合器組件600的一側上，且第二調制變壓器1204被放置在第三線圈610和第四線圈612之后的電感耦合器組件600的第二側上。第一調制變壓器1202包括電感耦合至第六線圈1208的第五線圈1206，且第二調制變壓器1204包括電感耦合至第八線圈1212的第七線圈1210。第一線圈604經由第一調制變壓器1202耦合至第一對信號線702。第三線圈610經由第一調制變壓器的中心抽頭1214電耦合至第一對信號線702。在所示的實例中，中心抽頭1214被示于第五線圈1206上。在該實例中，第二線圈606經由第二調制變壓器1204耦合至第二對信號線704。第四線圈612經由第二調制變壓器1204的中心抽頭1216電耦合至第二對信號線704。在該實例中，中心抽頭1216被示于第八線圈1212上。因此，在該實例中，第一和第二調制變壓器1202、1204插入遙測耦合器602和第一對信號線702或第二對信號線704之間。第一和第二調制變壓器1202、1204可嵌入耦合器組件600中或可放置在一個或多個分離的盒(例如，類似的盒116)中。在上側，第一調制變壓器1202允許解調，其中差分信號(通信或遙測)在第一調制變壓器1202的次級線圈(線圈1208)上恢復，而AC電力從初級線圈(線圈1206)的中間點(中心抽頭1214)恢復。第一調制變壓器1202的次級線圈(線圈1208)的兩端直接連接至遙測耦合器602的初級線圈(線圈604)的兩端，而載送AC電力的電線連接至功率初級線圈(線圈610)的一端，線圈610的另一端連接至塊體(電纜鎧裝、底盤、管道)。遙測耦合器602的次級線圈(線圈606)恢復遙測信號，而電力耦合器608的次級線圈(線圈612)恢復AC電力。在下側，遙測耦合器602的次級線圈(線圈606)耦合在第二調制變壓器1204的初級線圈(線圈1210)的兩端，而電力耦合器608的次級線圈(線圈612)耦合至塊體和第二調制變壓器1204的次級線圈(線圈1212)的中間點(中心抽頭1216)。第二調制變壓器1204的較低輸出耦合至鎧裝電纜704的兩條電線，其中仍然在兩條電線704上以差模傳輸遙測信號，且在兩條電線704和地面之間的以共模傳輸電力。在這些實例中，也實現了上完井和下完井之間的電力和遙測的感應耦合。遙測可以是雙向的，其中遙測調制解調器可將遙測信號發(fā)送至地表。在其中在地表不能發(fā)電的那些情況下，電力耦合也可以是雙向的。這些實例適合于與金屬套管一起使用，以保護線圈、鎧裝電纜中的多條電線，并可用于帶有如本文所述的串聯和/或并聯的添加的額外耦合器的多級/多分支系統(tǒng)。圖12圖解說明實例電氣架構，在該電氣架構中，第一遙測遙測調節(jié)器1302插入第一調制變換器1202和遙測耦合器602之間，且第二遙測調節(jié)器1304插入遙測耦合器602和第二調制變壓器1204之間。具體而言，在所示的實例中，第一遙測調節(jié)器1302插入第一調制變壓器1202和遙測耦合器602的第一線圈604之間，且第二遙測調節(jié)器1304插入遙測耦合器602的第二線圈606和第二調制變壓器1204之間。第一遙測信號調節(jié)器1302和第二遙測信號調節(jié)器1304用于重建和/或放大遙測信號，該信號可在電纜702和/或耦合器組件600中衰減。遙測信號調節(jié)器可嵌入耦合器組件600或放置在一個或多個分離的盒1306、1308中。如上所述，在上側上，第一調制變壓器1202允許解調，其中差分信號(遙測)在第一調制變壓器1202的次級線圈(線圈1208)上恢復，而AC電力從初級線圈(線圈1206)的中間點(中心抽頭1214)恢復。第一遙測調節(jié)器1302中的電子設備重新調節(jié)遙測信號。第一遙測調節(jié)器1302由AC電力總線1310和AC/DC整流器/電源1312供電。然后通過遙測線圈(B卩，遙測耦合器602)感應地傳輸遙測信號，且通過功率線圈(即，電力耦合器608)感應地傳輸電力。然后，可經由第二遙測調節(jié)器1304調節(jié)遙測信號，所述第二遙測調節(jié)器可以如上述相同的方式操作和供電。第二調制變壓器1204然后能夠如上述地表單元424中所進行般通過遙測信號調制電力信號。在此實例中，差模遙測信號在兩條電線上的總線被感應、調節(jié)和傳播，且經由共模發(fā)送的AC載波也被感應和傳播。第一和第二信號調節(jié)器1302、1304可位于僅上側、僅下側或兩側上。此外，實例系統(tǒng)可以被配置來構建下總線，其中遙測信號在兩條電線之間以差模發(fā)送，且電力在DC載波上以共模發(fā)送。這將導致圖9和圖12拓撲結構的組合。在該實例中，AC/DC轉換器用于電力整流的下側，而信號調節(jié)器可使用下側上的AC/DC或DC/DC設備。此外，實例系統(tǒng)可被配置為具有上和下總線，其中遙測信號在兩條電線上以差模發(fā)送，且電力在DC載波上以共模發(fā)送。這將導致圖10和圖12的拓撲結構的組合。在該實例中，DC/AC轉換器用于電力總線的上側，信號調節(jié)器可使用AC/DC或DC/DC設備，且可使用AC/DC轉換器，該AC/DC轉換器串聯在電力線上。在這些實例中，遙測和/或電力耦合可以是雙向的。另外，該架構也適合與如本文所述的金屬套管、多根電線和/或多級/多分支系統(tǒng)一起使用。圖13示出另一實例電氣架構，在該電氣架構中，電力和遙測是從放置在井口 426之前的地表單元424發(fā)送。然而，不同于現有的實例，不調制遙測和電力信號或以其它方式將其在同一條線上組合，而是在不同線上將其發(fā)送。在該實例中，將電力輸送為專用線1402上的AC信號，同時在單獨線1404上輸送遙測，兩者共享相同的電回路(例如，電纜鎧裝和完井管/套管/地層)。電力線1402直接耦合至電力耦合器608的初級線圈610，且遙測線1404直接耦合至遙測耦合器606的初級線圈604。每個線圈的另一端連接至管道和鎧裝。電力是在電力耦合器608的次級線圈612上恢復，其直接耦合至下鎧裝電纜的電力線1406。遙測是在遙測耦合器602的次級線圈606上恢復，其直接耦合至下鎧裝電纜的遙測線1408。每個次級線圈606、612的另一端也耦合至下管道和鎧裝，以確保正確的接地或電回路。在該實例中，在不使用任何電子設備的情況下，在下總線1406、1408中復制上總線 1402、1404。圖14示出了另一實例電氣架構。在圖15的實例中，在專用電纜(即，電力線1502)上發(fā)送電力。遙測是在兩個專用線(即，遙測線1504)上以差模發(fā)送。在該實例中，一條遙測線1504耦合至遙測耦合器602的初級線圈604的一端，且其它遙測線1504耦合至初級線圈604的另一端。在遙測耦合器602的次級線圈606上恢復遙測，其中每一端直接耦合至下鎧裝電纜的一個遙測線1506。電力耦合器608以與圖13的實例所述的方式相同的方式耦合至下鎧裝電纜的電力線1502和電力線1508。另外，針對圖13和圖14中所述和所示的兩個實例架構，相似的架構也可以被配置為從地表輸送DC載波上的電力。在這樣的實例中，在上側，在電力耦合器608之前實現DC/AC轉換器，以感應地傳輸電力。在下側，經由下電力線上的AC信號輸送電力或實現AC/DC轉換器，以重建DC總線。此外，在來自地表的AC信號上輸送電力和在下側重建DC總線的可能性對于這兩種架構也是可能的。與其它實例一樣，圖13和圖14的實例也適合與金屬套管一起使用?？墒褂盟屑軜嫷亩鄺l有線電纜(包括用于輸送電力的多條電線)。電力線1402、1406、1502、1508和遙測線1404、1408、1504、1506可以被放置在不同的鎧裝電纜中。另外，該架構可與雙級完井、多級完井(當不同的耦合器可串聯設置時)和/或多分支完井(當耦合器也可并聯放在主總線上時)或其任何組合一起使用。圖15示出了另一實例電氣架構。在圖15的實例中，在單線1602上從地表單元15傳輸電力和遙測。在地表單元424中，用第一個多路復用器1604多路復用單線1602上的電力和遙測信號。兩個信號都經由單電線1602和鎧裝之間的相同傳播模式發(fā)送。在電感耦合器組件600之前，遙測和電力信號經由兩條電線上的多路分用器1606、第一遙測線1608和第一電力線1610被多路分用并分別通過遙測耦合器602和電力耦合器608傳輸。在遙測耦合器602的輸出上，在第二遙測電線1612和電力耦合器608的輸出上傳播遙測信號，在第二電力線1614上傳播電力信號。遙測信號和電力信號再次經由第二多路復用功能器1616多路復用，以經由(即與鎧裝/管道/套管可操作關聯的單電線1618上的)單傳播模式被發(fā)送。在另一實例中，可使用類似的架構來從DC載波上的表面?zhèn)鬏旊娏?。在該實例中，在電力稱合器608之前實施DC/AC轉換器，以感應地傳輸電力。在下側上，在下電力線上輸送AC中的電力，或實施AC/DC以重建DC總線。此外，可從地表在AC載波上輸送電力，且DC總線也可與這兩種架構一起被重構在下側。與上述其它實例一樣，這些架構也適合與金屬套筒多條有線電纜、兩級完井、多級完井和/或多分支完井一起使用。雖然已經在本文中描述了某些實例方法、裝置和制品，但是本專利的涵蓋范圍不限于此。相反，本專利涵蓋很大程度上落入所附權利要求書的范圍內或等同物的原則下的所有方法、裝置和制品。
權利要求
1.一種用于井下環(huán)境的電感耦合器組件，其包括: 具有第一和第二磁稱合線圈的第一電感稱合器；和 具有第三和第四磁耦合線圈的第二電感耦合器，其中所述第一和第三線圈耦合至第一對信號線，且所述第二和第四線圈耦合至第二對信號線，所述第一電感耦合器在所述第一和第二對信號線之間磁輸送差分通信信號，且所述第二電感耦合器在所述第一和第二對信號線之間磁輸送共模電力信號。
2.如權利要求1中所定義的電感耦合器組件，其中所述第三和第四線圈各具有耦合至電接地或回路路徑的相應第一端。
3.如權利要求2中所定義的電感耦合器組件，其中所述第三和第四線圈的相應第二端電連接至所述第一和第二線圈的相應端。
4.如權利要求3中所定義的電感耦合器組件，其中所述相應第二端電連接至所述第一和第二線圈的相應中心抽頭。
5.如權利要求1中所定義的電感耦合器組件，還包括交流至直流轉換器，輸送交流至直流轉換器耦合至所述第四線圈，以將激勵所述第三線圈的交流電轉換為經由所述第四線圈輸送為共模直流信號的直流信號。
6.如權利要求5中所定義的電感耦合器組件，其中所述共模電力信號是耦合至所述第三線圈的直流信號，且所述電感耦合器組件還包括耦合至所述第三線圈以產生交流信號的直流至交流轉換器。
7.如權利要求1中所定義的電感耦合器組件，其中所述第一線圈經由第一調制變壓器耦合至所述第一對信號線，且其中所述第三線圈經由所述第一調制變壓器的中心抽頭電連接至所述第一對信號線。
8.如權利要求7中所定義的電感耦合器組件，其中所述第二線圈經由第二調制變壓器耦合至所述第二對信號線，且其中所述第四線圈經由所述第二調制變壓器的中心抽頭電連接至所述第二對信號線。
9.如權利要求8中所定義的電感耦合器組件，其還包括耦合在所述第一調制變壓器和所述第一線圈或所述第二調制變壓器和所述第二線圈之間的遙測信號調節(jié)器。
10.如權利要求1中所定義的電感耦合器組件，其中所述第一對信號線與上完井組件相關聯，且所述第二對信號線與耦合至所述上完井組件的下完井組件相關聯。
11.如權利要求1中所定義的電感耦合器組件，其中所述第一對信號線與下完井組件相關聯，且所述第二對信號線與分支完井組件相關聯。
12.一種用于井下環(huán)境的電感耦合器組件，其包括: 用于在第一對和第二對信號線之間輸送差分遙測信號的遙測耦合器；和 用于在所述第一和第二對信號線之間輸送共模電力信號的電力耦合器。
13.如權利要求12中所定義的電感耦合器組件，其還包括插置在所述遙測耦合器和所述第一或第二對信號線之間的調制變壓器。
14.如權利要求13中所定義的電感耦合器組件，其還包括插置在所述遙測耦合器和所述調制變壓器之間的遙測調節(jié)器。
15.如權利要求12中所定義的電感耦合器組件，其還包括用于將交流信號中的共模電力信號轉換為所述第二對信號線上的直流信號的交流至直流轉換器。
16.如權利要求15中所定義的電感耦合器組件，其還包括用于將所述第一對信號線上的直流信號中的共模電力信號轉換為交流信號的直流至交流轉換器。
17.一種用于井下環(huán)境的電感耦合器組件，其包括: 第一線圈，其具有至所述第一線圈的第一端的第一連接點、至所述第一線圈的第二端的第二連接點和至所述第一線圈的中心抽頭的第三連接點； 第二線圈，其磁耦合至所述第一線圈，所述第二線圈具有至所述第二線圈的第一端的第四連接點、至所述第二線圈的第二端的第五連接點和至所述第二線圈的中心抽頭的第六連接點； 第三線圈，其具有至所述第三線圈的第一端的第七連接點和至所述第三線圈的第二端的第八連接點；和 第四線圈，其磁耦合至所述第三線圈，所述第四線圈具有至所述第四線圈的第一端的第九連接點和至所述第四線圈的第二端的第十連接點，其中所述第八和第十連接點耦合至電接地或回路，所述第七連接點電連接至所述第三連接點，且所述第九連接點電連接至所述第六連接點，以使所述第一和第二線圈磁輸送通信，且所述第三和第四線圈磁輸送電力。
18.如權利要求17中所定義的電感耦合器組件，其中所述第一連接點、所述第二連接點、所述第四連接點或所述第五連接點中的一個或多個耦合至一個或多個傳感器或致動器。
19.如權利要求17中所定義的電感耦合器組件，其還包括第五線圈，所述第五線圈具有至所述第五線圈的第一端的第十一連接點和至所述第五線圈的第二端的第十二連接點；和 第六線圈，其磁耦合至所述第五線圈，所述第六線圈具有至所述第六線圈的第一端的第十三連接點和至所述第 六線圈的第二端的第十四連接點，其中所述第四和第十三連接點耦合，且所述第五和第十四連接點耦合，第五和第六線圈磁輸送通信。
20.如權利要求17中所定義的電感耦合器組件，其還包括耦合至所述第三線圈或所述第四線圈中的至少一個的至少一個交流至直流轉換器。
21.如權利要求20中所定義的電感耦合器組件，其中每個交流至直流轉換器都包括二極管或電容器中的至少一個。
22.—種在井下環(huán)境輸送電力和通信的方法,其包括: 經由第一對電線傳輸電力信號和通信信號，所述電力信號是所述第一對電線上的共模信號，且所述通信信號是所述第一對電線上的差分信號； 經由第一電感耦合器將所述通信信號從所述第一對電線磁輸送至第二對電線；以及 經由第二電感耦合器將所述電力信號從所述第一對電線磁輸送至所述第二對電線。
23.如權利要求22中所定義的方法，其中將所述電力信號從所述第一對電線磁輸送至所述第二對電線包括將所述電力信號從交流信號轉換為直流信號。
24.如權利要求22中所定義的方法，其中將所述通信信號從所述第一對電線磁輸送至所述第二對電線包括調節(jié)所述通信信號。
25.如權利要求22中所定義的方法，其中傳輸所述電力信號和所述通信信號包括多路復用所述電力信號和所述通信信號或調制所述電力信號與所述通信信號。
全文摘要
描述了一種用于井下環(huán)境的電感耦合器組件和相關方法。一種實例電感耦合器組件包括具有第一和第二磁耦合線圈的第一電感耦合器，和具有第三和第四磁耦合線圈的第二電感耦合器。所述第一和第三線圈耦合至第一對信號線，且所述第二和第四線圈耦合至第二對信號線。所述第一電感耦合器將在所述第一和第二對信號線之間磁輸送差分通信信號，且所述第二電感耦合器將在所述第一和第二對信號線之間磁輸送共模電力信號。
文檔編號E21B17/02GK103180539SQ201180033191
公開日2013年6月26日 申請日期2011年7月1日 優(yōu)先權日2010年7月5日
發(fā)明者伯努瓦·德維尓, 揚·迪富尓, 伯納德·G·朱舍羅, 克里斯蒂安·舒澤努 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司